構(gòu)建超低功耗精密高邊電流檢測電路，你的選擇是？

精密微安級高邊電流測量需要一個小阻值檢測電阻和一個低失調(diào)電壓的放大器。LTC2063零漂移放大器的最大輸入失調(diào)電壓僅為5 μV，僅需消耗1.4 μA的電流，是構(gòu)建完整的超低功耗精密高邊電流檢測電路的理想選擇（如圖1所示）。

圖1. 基于LTC2063零漂移放大器的精密高邊電流檢測電路。

該電路僅需2.3 μA至280 μA的電源電流即可檢測100 μA至250 mA寬動態(tài)范圍電流。LTC2063非常低的失調(diào)電壓使該電路能夠與低至100mΩ的分流電阻配合工作，從而使得最大分流電壓限值僅為25 mV。這可以大幅減小分流電阻上的功率損耗，并大大提 高負載可用功率。LTC2063的軌到軌輸入允許該電路在非常小的負載電流下工作，其輸入共模幾乎正好處于電源軌上。LTC2063的集成EMI濾波器可在高噪聲條件下保護器件免受RF干擾。

對于給定的檢測電流，該電路的電壓輸出為：

零點

電流檢測解決方案的一項關(guān)鍵指標是零點，或在沒有檢測電流時產(chǎn)生的輸出折合到輸入端的等效誤差電流。零點通常由放大器的輸入失調(diào)電壓除以R_SENSE決定。LTC2063的低輸入失調(diào)電壓典型值為1 μV，最大值為5 μV，低輸入偏置和失調(diào)電流典型值為1 pA至3 pA，因此，折合到輸入端的零點誤差電流典型值僅為10 μA(1 μV/0.1 Ω)，最大值為50 μA (5 μV/0.1 Ω)。這種低誤差使檢測電路能夠在低至其指定范圍內(nèi)的最小電流(100 μA)時仍然保持其線性度，不會因分辨率損耗而在低量程范圍內(nèi)產(chǎn)生一個固定的失調(diào) 值導致線性度變平（如圖2所示）。所得的輸入電流與輸出電壓關(guān)系曲線在整個電流檢測范圍內(nèi)都是線性的。

圖2. 低端無固定失調(diào)值，I_SENSE可低至100 μA。

零點誤差的另一個來源是輸出PMOS在零柵極電壓時的漏極電流或IDSS, 即PMOS標稱為關(guān)閉(|V_GS| = 0)時存在于非零V_DS上的寄生電流。具有高I_DSS漏電流的MOSFET在沒有I_SENSE時將產(chǎn)生一個非零正VOUT值。

本設計中使用的晶體管為英飛凌的BSP322P，它在|V_DS| = 100 V時的I_DSS 上限值為1 μA?？蓪Ρ緫弥蠦SP322P的典型I_DSS 進行一個合 理估計，在室溫條件且V_DS= –7.6 V時，II_DSS僅為0.2 nA，因此僅產(chǎn)生1 μV的誤差輸出，或等效于測量0 A輸入電流時產(chǎn)生100 nA的輸入電流誤差。

架構(gòu)

LT1389-4.096 基準電壓源以及由M2、R2和D1組成的自舉電路構(gòu)成超低功耗的隔離3 V電源軌（4.096 V + M2的V_TH ，后者典型值為-1 V），LTC2063可防止達到5.5 V的絕對最大電源電壓值。盡管串聯(lián)電阻也能滿足建立偏置電流的需求，但使用晶體管M2可以提供更高的整體電源電壓，同時還可將電源范圍高邊的電流消耗限制在僅為280 μA。

精密

LTC2063的輸入失調(diào)電壓導致折合到輸入端的固定電流誤差為10 μA（典型值）。在250 mA滿量程輸入中，所產(chǎn)生的失調(diào)誤差僅為0.004%。在低端，100 μA中的10 μA代表10%的誤差。由于失調(diào)是恒定的，因此可以對其進行校準。圖3顯示，由LTC2063、不匹配的寄生熱電偶以及所有寄生串聯(lián)輸入電阻產(chǎn)生的總失調(diào)僅為2 μV。

圖3. 采用4.5 V最小電源時在整個I_SENSE范圍內(nèi)V_IN至V_OUT 的轉(zhuǎn)換。200.7μV的輸出失調(diào)除以100.05 V/V電壓增益，表示RTI輸入偏置為2μV。

圖3所示的增益為100.05 V/V，它比構(gòu)建時由R_OUT和R_IN的實際值給定的預期增益（即4.978 kΩ/50.4 Ω = 98.77 V/V）大1.28 V/V。該誤 差可能是由LTC2063的輸入端與R_SENSE之間500mΩ左右的寄生串聯(lián)電阻所導致。

該電路輸出不確定性的主要來源是噪聲，因此，使用并聯(lián)大電容進行濾波對于降低噪聲帶寬從而降低總綜合噪聲至關(guān)重要。使用1.5 Hz輸出濾波器時，LTC2063會使折合到輸入端的低頻噪 聲增加約2 μV p-p。在盡可能長的持續(xù)時間內(nèi)平均輸出，進一步減少由于噪聲引起的誤差。

該電流檢測電路中的其他誤差源包括在LTC2063輸入端與R_SENSE串聯(lián)的寄生板級電阻、增益設置電阻R_IN和R_OUT的電阻值容差、增益設置電阻的溫度系數(shù)不匹配以及由寄生熱電偶引起的運算放大器輸入端的誤差電壓。可以通過使用開爾文連接檢測R_SENSE4引腳檢測電阻以及使用與R_IN和R_OUT的關(guān)鍵增益設置路徑具有相似或更低溫度系數(shù)的0.1%電阻來大幅降低前三個誤差源。為了消除運算放大器輸入端的寄生熱電偶，R1應與R_IN具有相同的金屬端子。還應盡可能避免在輸入端的不對稱熱梯度。

以滿量程2.5 V輸出為基準，所有誤差源的總貢獻最多為1.4%（如圖4所示）。

圖4. 誤差百分比在整個讀數(shù)范圍內(nèi)保持在1.4%以下。

電源電流LT1389-4.096和LTC2063在最小V_SUPPLY和I_SENSE（4.5 V和100 μA）時所需的最小電源電流為2.3 μA，在最大V_SUPPLY和I_SENSE （90 V和 250 mA）時則可達280 μA（如圖5所示）。除了有源組件消耗的電流外，V_SUPPLY還需要提供流經(jīng)M1的輸出電流I_DRIVE，該電流與輸出電壓成比例，范圍從1.0 mV輸出時的200 nA (I_SENSE為100 μA時）到2.5 V輸出時的500 μA（ ISENSE 為250 mA時）。因此，除I_SENSE外，總的電源電流范圍為2.5 μA至780μA。將 R_OUT設置為5 kΩ以獲得合理的ADC驅(qū)動值。

圖5. 電源電流隨電源電壓而增加，但不會超過280 μA。

輸入電壓范圍

在這種架構(gòu)中，最大電源取決于PMOS輸出端可以承受的最大|V_DS|。BSP322P的額定電壓為100 V，因此90 V是一個合適的工作限值。

輸出范圍

此設計可以驅(qū)動5 kΩ負載，因此適合作為眾多ADC的驅(qū)動級。它的輸出電壓范圍為0 V至2.5 V。由于LTC2063具有軌到軌輸出，因此最大的柵極驅(qū)動僅受限于LTC2063的裕量。在本設計 中，典型值為3 V，它由LT1389-4.096的4.096 V加上M2的V_TH典型值–1 V設定。

因為該電路的輸出為電流，所以電壓、接地或引線失調(diào)都不會影響精度。因此，可以在輸出PMOS M1和ROUT之間使用長引線，從而允許R_SENSE位于待檢測電流附近，而R_OUT位于ADC和其他信號鏈后續(xù)級附近。長引線的缺點是增加了EMI敏感度。R_OUT兩端的100 nF C3可在有害EMI到達下一級前對其進行分流。

速度限制

由于LTC2063的增益帶寬乘積為20 kHz，因此建議使用此電路來測量20 Hz或頻率更低的信號。22 μF的C2與負載并聯(lián)，可將輸出噪聲濾波為1.5 Hz，以提高精度并保護后續(xù)電路免受突發(fā)電流浪涌影響。該濾波的代價是建立時間更長，尤其是在輸入電流范圍的最低端。

結(jié)論

LTC2063具有超低輸入失調(diào)電壓、低IOFFSET和低IBIAS以及軌到軌輸入，可在100 μA至250 mA全范圍內(nèi)提供精密電流測量。該電路的最大電源電流為2 μA，因此在大部分工作范圍內(nèi)都能以遠低于280 μA的電源電流運行。LTC2063的低電源電流以及低電源電壓要求使其能夠利用基準電壓源供電并且綽綽有余。